2. Водоотлив. Понижение уровня грунтовых вод иглофильтрами, глубинными насосами в водопонижающих скважинах.

Общие сведения. Строительство стволов шахт обычно сопровождается притоками воды в большем или меньшем количестве в зависимости от гидрогеологических свойств пересекаемых пород, коэффициента фильтрации, площади поперечного сечения ствола, водопроницаемости крепи. Вода в ствол может поступать непосредственно из обнаженных водоносных пород или через стенки крепи. Наличие притока воды при проходке стволов отрицательно сказывается на производительности труда проходчиков, скорости проходки и качестве бетонной крепи. Исследованиями ВНИИОМШСа установлено, что при притоках воды от 6 до 12 м3/ч производительность труда снижается на 10%, а при притоках до 20 м3/ч и более — на 25—30%. При увеличении притока на 1 м3 скорость проходки снижается на 1 %.

Проникающая через крепь вода вымывает цемент из свежеуложенного бетона, что сопровождается снижением его прочности и водонепроницаемости. Анализ изменения притока воды при строительстве стволов показывает, что в большинстве случаев на небольших глубинах в зоне гидравлической активности приток составляет до 30 м3/ч, ниже с глубиной он уменьшается. Например, на глубине 400—500 м приток составляет 10-15 м3Д, а на глубине более 800 м — 0,5-2 м3/ч.

Согласно СНиП III-11-70, строительство стволов в неустойчивых породах независимо от ожидаемого притока воды надлежит вести с применением специальных способов (тампонаж, предварительное замораживание и др.). В устойчивых породах при притоках воды не более 8 м3/ч стволы проходят обычным способом, в отдельных случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании допускается проходить стволы обычным способом при притоках воды до 20 — 25 м3/ч.

При строительстве стволов существуют три основных способа борьбы с водой: непосредственный водоотлив, т.е. откачка воды из забоя ствола с помощью водоотливных средств; водоулавливание, т.е. улавливание воды до поступления ее в забой с последующей откачкой на поверхность; предварительное искусственное закрытие трещин и водотоков путем заполнения их цементным, глинистым раствором, битумом или посредством предварительного замораживания пород вокруг ствола.

Непосредственный водоотлив осуществляют при помощи бадей или насосов.

Бадейный водоотлив. При использовании этого способа поступающую в забой воду переносными пневматическими насосами Н-1м, «Байкал» ( 6.23, табл. 6.9) перекачивают в бадью, заполняя пустоты между кусками породы ( 6.24), и поднимают на поверхность. Во время бурения и заряжания шпуров, при возведении постоянной крепи воду из забоя выдают в бадьях без породы.

При оснащении ствола двумя подъемными установками производительность водоотлива бадьями будет равна сумме производительностей водоотлива каждой установки. Производительность водоотлива бадьями при хорошей организации подъема может достигать 20—25 м3/ч.

Водоотлив с помощью насосов. Водоотлив посредством насосов применяют при наличии значительных притоков воды, когда бадьевой водоотлив не обеспечивает полностью удаление воды из забоя или когда приток воды может неожиданно увеличиться.

Для откачки воды из ствола применяют подвесные вертикальные и горизонтальные стационарные насосы. Основные характеристики насосов приведены в табл. 6.9.

Водоотлив насосами можно осуществлять по трем основным схемам: одноступенчатой, двухступенчатой и многоступенчатой. При одноступенчатой схеме ( 6.25) воду из забоя подвесным насосом по ставу труб откачивают непосредственно на поверхность земли. Насос подвешивают в стволе на двух канатах через блок в раме насоса. К подвесным канатам хомутами крепят став водоотливных труб. Наращивание става при опускании насоса в забой и демонтаж нескольких звеньев става перед взрывными работами осуществляют в устье ствола на нулевой раме. При откачке воды насос располагают на расстоянии 4-5 м от забоя. Всасывающее устройство (храпок) насоса опускают в приямок в забое, в котором собирается вода. Перед взрыванием шпуров насос поднимают на безопасную высоту (20-25 м).

Откачку воды по одноступенчатой схеме можно осуществлять только при условии, что глубина ствола не превышает высоту напора, которую может создать подвесной насос (практически это до 300-350 м).

При двухступенчатой схеме водоотлива воду из забоя перекачивают на высоту до 40 м переносными забойными насосами по шлангам в бак (обычно в бадью), откуда с помощью подвесного вертикального насоса откачивают на поверхность. Перекачнои бак вместимостью 2,5—3 м3 устанавливают на подвесном полке или натяжной раме или подвешивают вместе с вертикальным насосом на подвесных канатах (см. рис, 6.25, а). Схема двухступенчатого водоотлива имеет следующие преимущества по сравнению с одноступенчатой схемой: перекачнои насос с баком подвешены на безопасном расстоянии от забоя (до 40 м), вследствие чего устраняется необходимость его подъема перед взрыванием шпуров; легкие забойные насосы не загромождают рабочее пространство в забое и надежны в работе; перекачнои подвесной насос откачивает воду из бака с предварительным ее осветлением; включение и выключение перекачного насоса осуществляется автоматически в зависимости от уровня воды в баке. Область применения двухступенчатой схемы ограничивается напором перекачного насоса. Эту схему обычно используют в стволах глубиной до 300-350 м с насосами ППН-50-12м; НП-2.

Многоступенчатую схему водоотлива (см. 6.25, б) применяют в стволах, глубина которых превышает напор насосов второй ступени, она представляет собой дальнейшее развитие двухступенчатой схемы. Подвесной вертикальный насос в этом случае откачивает воду в пе-рекачную станцию, из которой ее с помощью горизонтальных насосов ВП-Зс, 4НШВМ-7 х 6 подают на поверхность земли или в следующую перекачную станцию. При использовании современных насосов можно сооружать промежуточные перекачные станции через 300—500 м. Эти станции размещают как в поперечном сечении ствола, так и в камерах около ствола или околоствольном дворе. Вместимость водосборника перекачной станции должна быть не менее часового притока воды в ствол. Став водоотливных труб от перекачной станции подвешивают к крепи ствола с помощью кронштейнов и хомутов.

В перекачных станциях устанавливают два насоса — рабочий и резервный.

Для автоматизации водоотлива на перекачных станциях устанавливают пусковую аппаратуру АВ-5; АВ-7, обеспечивающую поочередный пуск и остановку насосов в зависимости от уровня воды в водосборнике.

Водоулавливание. При строительстве стволов одновременно с водоотливом при помощи бадей или насосов необходимо применять водоулавливание, т.е. улавливание фильтрующейся воды через крепь ствола до поступления ее в забой.

В стволах с бетонной крепью фильтрация воды через нее зависит от ряда факторов, в том числе от качества бетона, качества укладки бетонной смеси за опалубку, наличия «холодных» швов и др. Приток фильтрующейся воды через крепь ствола иногда достигает 10 м3/ч и более. Эта вода падает вниз в виде капель и осложняет производство работ в забое. Интенсивность капежа достигает наибольшей величины у стен ствола, уменьшаясь к центру. По данным ВНИИОМШСа, примерно 65-80% воды, фильтрующейся через крепь, распределяется в виде капежа на расстоянии до 30 см от стен, 15% — на расстоянии 1,2 м и только около 5% воды стекает в центральной части ствола. Такое распределение стока воды по стволу позволяет эффективно улавливать ббльшую часть ее у стенок ствола.

Водоулавливание осуществляют при помощи водоулавливаю-щих колец, в которых собирается ббльшая часть просачивающейся через крепь воды. Из водоулавливающего кольца воду по трубам или шлангу перепускают в расположенную ниже перекачную станцию.

Водоулавливающие кольца, как правило, устанавливают ниже водоносных горизонтов, приток воды из которых явно выражен.

Водоулавливающее кольцо представляет собой металлический желоб ( 6.26, а) шириной 20-30 см, высотой 20—25 см, который по периметру крепят штырями к бетонной стенке ствола. Второй вариант конструкции водоулавливающего кольца показан на 6.26, б. В этом случае в крепи ствола прорубается штроба, в которую укладывают желоб из швеллера № 20-30 с приваренным к нему козырьком из листовой стали. Зазор между желобом и крепью уплотняют гидроизоляционным материалом. Для стока воды водоулавливающее кольцо устанавливают с уклоном 0,02-0,03 в сторону водоспускного отверстия, к которому приваривают сточную трубу.

Улавливание воды можно осуществлять также при помощи дренирования ее через фильтры ( 6.27), устраиваемые в стенках ствола на уровне водоносных горизонтов. Для этого сквозь крепь бурят шпуры, в которые устанавливают водоспускные или забивные фильтры. Их изготавливают из труб диаметром 32-50 мм в зависимости от притока воды. Водозаборная часть фильтра перфорирована отверстиями. Диаметр отверстий зависит от крупности зерен породы и дебита водоносного горизонта, обычно его принимают равным двум-трем диаметрам зерен породы (песка). В мелкотрещииоватых рыхлых породах используют гравийные фильтры (см. 6.27, б). Поступающую через фильтры воду по резиновым шлангам или металлическим трубам перепускают в водоулавливающие кольца или непосредственно в расположенные ниже перекачные станции.

Водопонижение применяют для временного (на период строительства) снижения гидростатических напоров (уровней) подземных вод с целью создания более благоприятных и безопасных условий ведения горно-строительных работ.

Сущность способа водопонижения заключается в том, что на некотором расстоянии вокруг будущей горной выработки / бурят систему водопонижающих скважин 2, из которых постоянно откачивают воду ( 9.22). В результате уровень грунтовых вод 3 в месте строительства сооружения понижается (кривая 4), породы осушаются, в результате чего изменяются их физические свойства.

Задача водопонижения — создание и поддержание на период строительства выработки требуемой зоны осушенных пород, что позволяет вести горнопроходческие работы в относительно благоприятных условиях.

Водопонижение приводит не только к изменению физических свойств породы, но и оказывает существенное влияние на их состояние и поведение в окружающем пространстве. Понижение уровня грунтовых вод приводит к уплотнению и увеличению прочностных характеристик породы и вследствие этого к увеличению давления породы на подземные сооружения и деформации поверхности. В большинстве случаев, при относительно небольших понижениях уровня воды, поверхность проседает равномерно и не оказывает существенного влияния на работу сооружений. При больших понижениях уровня подземных вод осадка поверхности может быть весьма значительной.

При строительстве горных выработок уровень подземных вод может быть понижен тремя способами: поверхностным, подземным и комбинированным. При этом различают предварительное водопонижение, при котором осушение участка осуществляют до начала горнопроходческих работ, и параллельное, при котором работы по водопонижению и проведению горной выработки осуществляют одновременно.

Выбор способа,водопонижения зависит от свойств и условий залегания породы, условий питания подземных вод, водопроницаемости (коэффициента фильтрации) осушаемых пород, размеров осушаемой зоны в породах, мощности водоносного горизонта, характеристик технических средств водопонижения.

Поверхностный способ водопонижения получил наибольшее распространение. При этом способе воду откачивают из водопонижающих скважин, пробуренных с земной поверхности вокруг предполагаемого контура горной выработки, чтобы к началу горных работ на участке водопонижения образовалась устойчивая депрессионная воронка. При наличии ниже водоносного горизонта водопоглощающих пород воду на земную поверхность не откачивают, а спускают по пробуренным скважинам в эти породы. Эта схема благодаря оперативности наиболее полно отвечает целям предварительного осушения. Она позволяет в довольно короткие сроки осушить участок и обеспечить безопасные условия для проведения горных выработок; дает высокий эффект при большой мощности и хорошей водопроницаемости водоносных горизонтов. Недостаток этой схемы — необходимость одновременной работы многих дренажных скважин.

При подземном способе скважины бурят из забоя шахтного ствола или из горных выработок, проведенных ранее или специально для этой цели. Подземная схема эффективнее и надежнее при любых гидрогеологических условиях, в том числе и при дренировании песков с незначительной водопроницаемостью (коэффициент фильтрации до 3 м/сут). Однако такая схема отличается большой трудоемкостью подготовки, длительностью выполнения дренажных работ и необходимостью долговременного поддержания горных выработок.

Из подземных выработок также возможен спуск воды в нижерасположенные водопоглощаюшие породы при наличии между ними водоупорного горизонта.

При комбинированном способе скважины бурят не только с земной поверхности, но и из забоя ствола шахты или другой подземной выработки, т.е. комбинированный способ сочетает в себе применение двух способов осушения — поверхностного и подземного. При этом часть воды из дренирующих водоносных горизонтов откачивают на земную поверхность при помощи насосов, установленных в скважинах, а другая часть поступает в подземные дренажные выработки. Комбинированную схему применяют, как правило, в тех случаях, когда при использовании поверхностной схемы остаются обводненные зоны, не поддающиеся осушению с поверхности.

При поверхностном способе водопонижения уровень подземных вод может быть понижен с помощью легких иглофильтровых, эжекторных иглофильтровых или вакуумных установок, водопонижающих скважин, оборудованных насосами, сквозных фильтров, водопоглощающих скважин.

При подземном способе водопонижения уровень вод может быть понижен с помощью забивных фильтров, легких иглофильтровых установок, установок забойного водопонижения.

Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) применяют для понижения уровня подземных вод до 5 м в рыхлых неслоистых породах с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут.

Эжекторные иглофильтровые установки (ЭИ) используют для вакуумирования грунтов и понижения уровня подземных вод до 20 м при коэффициенте фильтрации 0,01 — 10 м/сут и при близком залегании во-доупора от подошвы выработки. Откачиваемую воду в эжекторных иглофильтрах поднимают с помощью водоструйных насосов (эжекторов). В основу работы этих насосов положен принцип непосредственной передачи энергии одного потока другому, реализация которого происходит в иглофильтре.

Вакуумные установки (УВВ) применяют для водопонижения в мелкозернистых, пылеватых и глинистых песках, супесях, легких суглинках, илах и лессах с коэффициентом фильтрации 0,01-2 м/сут, плохо поддающихся осушению обычными легкими иглофильтровыми установками типа ЛИУ.

Установки типа УВВ дают возможность понизить уровень грунтовых вод до 6-7 м от поверхности.

Водопонижающие скважины оборудуют глубинными насосами и применяют для откачки воды из водоносных пород с коэффициентом фильтрации более 2 м/сут, требующих значительного понижения уровня грунтовых вод, а также при небольших глубинах водопонижения, когда использование иглофильтров затруднено из-за больших притоков, необходимости осушения значительных площадей и стесненности территории.

Диаметр водопонижающих скважин изменяется в широких пределах и зависит от глубины скважины, типа применяемого насоса и гидрогеологических свойств пересекаемых пород. При небольших дебитах и малой глубине скважин их диаметр принимают равным 100-200 мм. При больших дебитах и применении артезианских насосов начальный диаметр скважины принимают до 750 мм. Конечный диаметр скважины зависит от марки насоса и типа фильтра, устанавливаемого в скважине.

Водопонижающую скважину оборудуют фильтром и скважинным насосом ( 9.23).

Сквозной фильтр — это пробуренная с поверхности земли до выработки скважина, оборудованная фильтровыми устройствами в зоне осушаемых пород. Вода из горных пород проникает через фильтр в скважину, а оттуда — в подземную горную выработку ( 9.24).

Сквозные фильтры располагают в центре ствола, а также в промежутках между водопонижающими скважинами. Начальный диаметр скважины, предназначенной для использования ее в качестве сквозного фильтра, принимают равным 250—300 мм. Скважину требуемого диаметра бурят до водоупорной горной породы, не доходя до приемной камеры, закрепляют обсадными трубами, в которые опускают колонну перфорированных (фильтровых) труб с минимальным диаметром 89 мм. Форма отверстий фильтровой трубы щелевидная или круглая (диаметр 5-6 мм). После этого скважину добуривают до подземной выработки. Кольцевое пространство между фильтровой и обсадной трубами засыпают промытым гравием. Одновременно с засыпкой гравием извлекают обсадную трубу из скважины. Если сквозным фильтром осушают крепкие водоносные горные породы, то фильтровую колонну можно совсем не применять. Вместо фильтровой колонны перфорируют обсадные трубы против водоносного горизонта.

Водопоглощающие скважины служат для спуска воды из забоя ствола или другой выработки в залегающий ниже слой горных пород (пески, известняки, песчаники), имеющих более высокие фильтрационные свойства. Конечный диаметр скважин проектируют не менее 108 мм, чтобы иметь возможность периодически их чистить и прокачивать. Для улучшения водоотдачи дренируемого и водоприемной способности поглощающего горизонта скважины в известняках обрабатывают соляной кислотой и закрепляют их обсадными трубами диаметром 146, 127 и 108 мм. На участках дренируемого и поглощающего горизонтов устанавливают фильтры и перфорированные трубы.

При составлении проектов на спуск воды из водоносных горизонтов надо избегать возможности значительного обводнения шахтных полей ближайших шахт, разрабатывающих полезные ископаемые на более низких отметках. Кроме того, следует помнить, что спуск загрязненных вод из рабочих забоев возможен только.при условии, что воды поглощающего горизонта не будут использованы для питьевого водоснабжения.

Забивные фильтры применяют для осушения водоносных горных пород, расположенных на небольшом расстоянии от кровли проводимой выработки. Из фильтров вода поступает в выработку самотеком. В подошву выработки фильтры забивают лишь тогда, когда вода, заключенная в подугольных породах, выходит из фильтров самоизливом. Сравнительно редко фильтры забивают в бока выработки.

Забивной фильтр представляет собой металлическую трубу диаметром 25—63 мм. Его длина зависит от мощности осушаемой породы, расстояния от водоносного пласта до кровли выработки и изменяется от 3 до 8 м; реже ее увеличивают до 12 м и совсем редко — до 20 м.

Конец фильтра, забиваемый в породу, на протяжении 0,7—3 м перфорирован отверстиями диаметром 1,5—4 мм. В мелкозернистых породах диаметр отверстий забивного фильтра обычно принимают равным 3 мм. Общая площадь отверстий составляет 5—7 % полезной поверхности забивного фильтра. Длина перфорированной части фильтра не превышает 1/4 мощности осушаемого водоносного пласта. Число отверстий перфорации на 1 м длины фильтра принимают в зависимости от его диаметра.

При небольшой длине фильтра его забивают непосредственно в осушаемый пласт. Длинные фильтры устанавливают в предварительно пробуренные скважины.

Установки забойного водопонижения применяют при проведении горизонтальных и наклонных подземных сооружений и горных выработок в обводненных, слабоустойчивых породах с малыми коэффициентами фильтрации (3—0,01 м/сут).

Выбор схемы и способа водопонижения зависит от гидрогеологических условий участка, глубины ствола, а также размера, формы и вида крепи стволов.

При проходке шахтных стволов глубиной более 20 м водопониже-ние осуществляют в основном с применением водопонижающих скважин. Водопонижение в этом случае включает выполнение следующих основных работ: обоснование схемы расположения водопонижающих скважин вокруг ствола; бурение скважин и монтаж фильтров и насосного оборудования; эксплуатацию водопонижающих скважин. При проходке стволов водопонижающие скважины можно располагать в плане на вершинах треугольника, квадрата, прямоугольника и по окружности ( 9.25, а—г).

Бурение водопонижающих скважин осуществляют буровыми станками различных типов (вращательные, ударно-канатные, шнековые). Выбор типа станка зависит от глубины бурения и диаметра скважины, параметров обсадных труб, геологического разреза и места заложения скважины, наличия электроэнергии, технической воды.

По окончании бурения скважины и установки в ней фильтра осуществляют пробную откачку воды с целью полной очистки забоя скважины от бурового шлама, декольматации прифильтровой зоны, устранения возможности пескования и подготовки скважины к установке в ней постоянного насоса. Пробную откачку продолжают до полного осветления воды. В процессе откачки определяют дебит скважины, максимальное понижение уровня воды в ней, после чего приступают к монтажу насосного оборудования.

Перед монтажом насоса проверяют глубину скважины, уровень воды в ней и при помощи специального шаблона состояние внутренней поверхности обсадных труб. В качестве шаблона применяют обсадные трубы длиной 5—7 м и диаметром, равным наибольшему диаметру насоса. Свободное перемещение шаблона по всей длине скважины говорит о ее пригодности для монтажа насоса.

Насос с погружным электродвигателем перед монтажом устанавливают вертикально, заполняют внутреннюю поверхность чистой водой, подсоединяют силовой кабель и проверяют сопротивление изоляции обмотки.

Спуск насоса с водоподъемными трубами в скважину осуществляют с помощью буровой установки или автомобильного крана. Насос устанавливают на расстоянии не менее 1-2 м от дна отстойника. По окончании монтажа насоса и водоподъемных труб над скважиной устанавливают опорную плиту с водоотводным коленом и гидравлической задвижкой и манометр, а напорный патрубок насоса соединяют с трубопроводом, отводящим воду за пределы площадки водопонижения. Присоединив кабель к пусковой станции, скважину сверху закрывают для предохранения ее от загрязнения.

Монтаж глубинного насоса с электродвигателем, расположенным на поверхности, начинают с тщательной проверки трансмиссионного вала на прямолинейность — биение. Допустимое биение не должно превышать 0,2 мм на середине вала. Все узлы насоса монтируют в соответствии с требованиями заводской инструкции. По окончании монтажа над скважиной строят будку, в которой устанавливают пусковое электрическое устройство и измерительные приборы.

Основное требование к эксплуатации установок глубинного водопонижения — снижение уровня подземных вод на требуемую глубину и поддержание его на этой глубине в течение всего срока строительных работ.

В процессе эксплуатации водопонизительных установок постоянно осуществляют контроль за их работой (проверяют показания амперметра, определяют вибрацию насоса, наличие песка в откачиваемой воде, периодически осуществляют замеры дебита и динамического уровня воды).

По окончании водопонижения все оборудование демонтируют, а во-допонижающие скважины ликвидируют. В зависимости от гидрогеологических условий, глубины и места расположения по отношению к ближайшим сооружениям почти во всех породах, кроме сыпучих и плывунов, проводят ликвидационный тампонаж. В глинистых грунтах для этой цели применяют глину, а в скальных и полускальных — бетон.

Ликвидацию водопонижающих скважин осуществляют также путем закачки в скважину цементного раствора. В особо сложных горно-геологических условиях во избежание подвижек грунта и просадочных явлений фильтровую и обсадную колонны не извлекают. Фильтровую колонну и межтрубные зазоры в этом случае цементруют.

Величину понижения уровня воды в скважинах 5С при полном пересечении ими водоносного горизонта принимают равной высоте столба воды в водоносном горизонте над нижним водоупором. Если скважины не полностью пересекают водоносный горизонт, понижение уровня воды в них может быть принято равным половине вскрытой мощности пласта плюс гидростатический напор.

По значениям дебита водопонижающих скважин подбирают насосное оборудование. Для успешной работы необходимо, чтобы водозахватная способность каждой скважины (т.е. количество воды, которое можно откачать через эту скважину в единицу времени) соответствовала ее дебиту или несколько превышала его.